CN101318520A - 轮式机动车数字控制转向的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字控制车辆转向的方法及装置系统，其方法是通过转向驱动器驱动转向行星轮系使左右车轮产生速差从而达到转向的目的，它可使车体转向(包括振荡过程)所需的转向力矩由左右轮速差产生，它是纵向的，与离心力的方向是垂直的。相互垂直的力的叠加作用要小得多，产生侧滑现象的可能性也就小得多。此外，还公开了与所述方法相配的转向驱动装置。本发明所增加的成本不多，却避免了已有转向机构的弊端，获得了使用转向行星轮系转向的两大主要优点：实现两轮驱动的准越野功能和减小高速转弯侧滑几率。

Description

轮式机动车数字控制转向的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种汽车，尤其是一种两轮驱动式轮式机动车如小轿车、货车、工程车、军用车等，具体地说是一种数字控制车辆转向的方法及系统(即Digital Turnning System，DTS)。

背景技术

众所周知，汽车高速行驶时突然转弯或突然变道，极易产生侧滑、甩尾现象，这一直是汽车行业中的难题。为了解决侧滑问题，目前在汽车行业中研究最多的是四轮转向机构。汽车的四轮转向(4WS)是指汽车在转向时，后轮可与前轮一起同时转向，使汽车的四个车轮都能起到转向的作用，以改善汽车的转向机动性、操作稳定性和行驶安全性。

目前，典型4WS汽车的后轮偏转规律分为两种：(1)逆相位转向：在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向(后轮最大转向角一般为5°左右)。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。(2)同相位转向：在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前后轮实现同相位转向(后轮最大转角一般为1°左右)。使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，保证汽车在高速超车、进出高速公路时，处于不足转向状态以避免侧滑。

这种四轮转向机构的不足之处在于：(1)低速转向时，汽车尾部容易碰到障碍物；(2)实现理想控制的技术难度大；(3)转向结构复杂、成本高；(4)转向过程中，阿克曼定理难保证，难以实现纯滚动。

据申请人所知目前已经有多项四轮转向机构的专利申请，也有很多论文计算证明该方案可以使侧偏角等于零，因此就不会产生侧滑现象。但仔细分析可以发现，现有的前轮转向机动车的转向是一个二维动作，它由一个质点的准圆周运动和一个车体绕垂直轴的转动组合而成。过程是这样的：前轮偏转→由偏转而造成的摩擦力的分力给前轮一个横向的转动力→后轮即刻产生一个反方向的摩擦力与前轮的力一起构成车体转向的力矩使车体产生转向加速度→车体转向→由车体运动方向的改变而产生的惯性离心力在前后轮上都造成一个横向的摩擦力，这就是车体作准圆周运动的向心力→车体作准圆周运动。

从这个过程可以看到两个问题：

其一：车体绕垂直轴的转动是一个惯性过程，势必产生过转动。克服过转动的过程描述与上述过程描述相似，所以整个转动过程一定是一个振荡过程，一直持续到转弯过程结束。

其二：车体绕垂直轴的转动所产生的转动力矩在前后轮上的力的方向与车体作准圆周运动所产生的离心力的方向都是横向的，在振荡过程中不断产生叠加，当叠加起来的力超过轮胎所能承受的静摩擦力时，侧滑现象就发生了。

此外，在履带式车辆如坦克、履带式拖拉机、工程机械上也有利用转向行星轮系实现差速转向的。该差速转向以行星齿轮系提供车辆两侧履带驱动轮不同的转速，以达成两侧履带产生差速转向运动。但据申请人所知，由于轮式机动车固有的特点，目前尚未见到将转向行星轮系用于差速转向，实现越野功能的报道，其主要原因是在转向时轮胎与地面之间必定产生横向滑动，而且转弯半径越小，横向滑动越明显，车速越快，横向滑动越容易引发侧滑现象，由此带来很多明显的有些甚至是严重的弊端。

因此，如何简化转向机构，使二轮驱动式轮式机动车具有越野功能是汽车行业长期未能得到解决的问题。为此，设计一种结合转向行星轮系实现差速转向的新型转向越野方法及自适应系统是目前迫切需要解决的难题，也是今后汽车发展的方向。

发明内容

本发明的目的是针对现有普通汽车转向中存在的易侧滑、甩尾，越野车的驱动转向系统复杂，成本高的问题，发明一种利用转向行星轮系统使左右驱动轮产生速差实现转向和越野功能并彻底消除侧滑现象的通过改变转向方式数字控制车辆转向的方法及装置。

本发明的技术方案是：

一种轮式机动车数字控制转向的方法，其特征是它包括以下步骤：

第一步，采集方向盘转角和车速数字信号并送至数控装置(包括计算机、单片机等)中；

第二步，由数控装置根据所得的车速和转角值及车体参数计算出左右主动轮所需的速差；

第三步，数控装置根据计算所得的速差计算出数控转向驱动器的转速；

第四步，数控转向驱动器以所得的转速驱动转向行星轮系动作；

第五步，转向行星轮系将所得的转向驱动与行进驱动合并，并通过输出轴分配给左右驱动轮，使左右驱动轮对称地一个加速，一个减速，从而实现无侧滑转向，在左右车轮实现差速转向的同时，偏转轮偏转机构延时带动偏转轮转动到与偏转轮前进方向相一致的角度，实现偏转轮的纯滚动；

第六步，如果车速值或转角值发生变化，则重复第一步～第五步，直至停车为止。

所述的前轮偏转机构延时是通过在方向盘与前轮偏转机构之间安装弹性环节实现的。

所述的转向行星轮系具有2个自由度、2个输入轴、2个输出轴，它能将转向驱动与行进驱动合成并通过输出轴分配给左右驱动车轮；当数控转向驱动器不动时，前进驱动输入使左右驱动车轮同速同向转动，车体直线前进；转向时，数控转向驱动器通过行星轮系与前进驱动合成，使左右驱动车轮对称地一个加速，一个减速，车体由此转向；数控转向驱动器正转反转即可使车体左转右转；数控转向驱动器转快转慢即可改变车体转向快慢，数控转向驱动器以计算所得的速度转动时间的长短决定转向角度的大小，时间的长短由方向盘转向的时间和车速保持时间确定，如果方向盘转角变化或车速变化时自动重新计算新的数控转向驱动器的转速。

与上述方法相适应的装置为：

一种轮式机动车数字控制转向系统，包括作为机动车前进动力源的发动机与变速箱7、控制左右车轮同步转动的偏转轮偏转机构3和方向盘6，其特征是所述的方向盘6上安装有转角数字传感器5，在主动车轮上安装有速度传感器8，转角数字传感器5和速度传感器8的输出均与车载数控装置9相连，车载数控装置9的输出之一与转向驱动器1的输入相连，转向驱动器1的输出与转向行星轮系2的一个输入轴相连，转向行星轮系2的另一个输入轴与发动机与变速箱7的输出轴相连，转向行星轮系2的两个输出轴分别与左右车轮相连；方向盘6通过一起延时作用的弹性环节4与前轮偏转机构3相连，前轮偏转机构3分别与左右车轮相连。

所述的转向行星轮系2可采用具有2个自由度、2个输入轴、2个输出轴的行星轮系，它能将转向驱动与行进驱动合成并通过输出轴分配给左右驱动车轮；当转向驱动器1不动作时，由发动机与变速箱7送来的前进驱动输入使左右车轮同速同向转动，车体直线前进；转向时，由转向驱动器1送来的转向驱动通过转向行星轮系2与由发动机与变速箱7送来的前进驱动合成，使左右车轮对称地一个加速，一个减速，车体实现转向；转向驱动器1的正转反转即可使车体左转右转；转向驱动器1转多转少即可改变车体转向角度的大小；转向驱动器1转快转慢即可改变车体转向快慢。

转向驱动器1为数控驱动器，转向驱动器1由数控装置9控制，它用于在转弯时驱使左右驱动轮形成转速差，使得左右轮的前后向的驱动力差或阻力差构成车体绕Z轴转动的动力矩。

本发明的有益效果：

1、本发明首先提出了一种新的转向的解决方案，其原理是：使车体转向(包括振荡过程)所需的摩擦力由左右轮速差产生，它是纵向的，与离心力的方向是垂直的。相互垂直的力的叠加作用要小得多，产生侧滑现象的可能性也就小得多。

2、本发明首先将转向行星轮系引用到轮式机动车中，本发明在使用转向行星轮系作为转向动力的基础上，令偏转轮作稍许滞后的随动偏转；同时转向行星轮系的转向驱动器必须是由数控装置控制的数控驱动器(如开环或闭环数控电机或数控液压马达)，以精确保证在各种车速条件下行星轮系所产生的转弯半径与偏转轮偏转量相一致。

3、本发明与现有技术相比所增加的成本不多，却避免了使用转向行星轮系转向的弊端，获得了使用转向行星轮系转向的两大主要优点：(1)减小高速转弯侧滑几率，大大提高了汽车高速转向时的操纵稳定性；(2)实现两轮驱动的准越野功能，即当地面状况使一侧驱动轮打滑时，另一侧驱动轮仍能以正常的转速驱动车辆。

4、本发明的2轮驱动就具有越野功能且能有效减小高速转弯侧滑几率的轮式机动车新型转向系统可应用于两前轮驱动或两后轮驱动的轮式机动车。

5、本发明的驱动轮(前轮或后轮)的一组两个车轮必须由任一种转向行星轮系构成，转向驱动器是数控驱动器(如开环或闭环数控电机或数控液压马达)并由数控装置控制，在转弯时驱使左右驱动轮形成转速差，使得左右轮的前后向的驱动力差或阻力差构成车体绕Z轴转动的动力矩。当驱动轮使用了转向行星轮系时，即使是两轮驱动机动车也具有类似的越野功能，即一侧驱动轮打滑不影响另一侧驱动轮工作。

6、本发明的偏转轮偏转机构可以采用传统结构，但它必须稍许滞后，其作用是使偏转车轮作纯滚动，而不产生横向的转向力。即偏转轮偏转只起到随动作用，而不起转向作用。

7、本发明的方向盘第一时间控制一个数字传感器，将转向信号送给数控装置，数控装置根据转向信号和实测车体当时的行驶速度进行计算，并根据计算结果驱动转向驱动器按特征1所述实现转向，所造成的转弯半径应与偏转轮偏转量精确一致，方向盘与传统结构的偏转轮偏转机构之间加入了一个弹性环节以实现所要求的偏转轮偏转稍许滞后。

8、本发明创造性将转向行星轮系的驱动由传统的被动实现差速变为主动实现差速驱动，同时将传感器及数控装置技术与驱动转向行量轮系的转向驱动器相结合，实现了自适应控制，解决了二轮驱动轮式机动车长期无法解决的转向越野难题。

附图说明

图1是本发明的驱动及转向系统结构布局示意图之一。

图2是本发明的驱动及转向系统结构布局示意图之二。

图3是本发明的驱动及转向系统结构布局示意图之三。

图4是本发明的驱动及转向系统结构布局示意图之四。

图5是本发明的转向实现过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图5所示。

一种轮式机动车数字控制转向的方法，它包括以下步骤：

第一步，采集方向盘转角和车速数字信号并送至数控装置中；

第二步，由数控装置根据所得的车速和转角值及车体参数计算出左右主动轮所需的速差；

第三步，数控装置根据计算所得的速差计算出数控转向驱动器的转速；

第四步，数控转向驱动器以所得的转速驱动转向行星轮系动作；

第五步，转向行星轮系将所得的转向驱动与行进驱动合并，并通过输出轴分配给左右驱动轮，使左右驱动轮对称地一个加速，一个减速，从而实现无侧滑转向，在左右车轮实现差速转向的同时，前轮偏转机构延时带动前轮转动到与前轮前进方向相一致的角度，实现前轮的纯滚动；

第六，如果车速值或转角值发生变化，则重复第一步～第五步。

其中的前轮偏转机构延时可通过在方向盘与前轮偏转机构之间安装弹性环节实现的；所述的转向行星轮系具有2个自由度、2个输入轴、2个输出轴，它能将转向驱动与行进驱动合成并通过输出轴分配给左右驱动车轮；当数控转向驱动器不动时，前进驱动输入使左右车轮同速同向转动，车体直线前进；转向时，数控转向驱动器通过行星轮系与前进驱动合成，使左右车轮对称地一个加速，一个减速，车体由此转向；数控转向驱动器正转反转即可使车体左转右转；数控转向驱动器转快转慢即可改变车体转向快慢，数控转向驱动器以计算所得的速度转动时间的长短决定转向角度的大小，时间的长短由方向盘转向的时间和车速保持时间确定，如果方向盘转角变化或车速变化时自动重新计算新的数控转向驱动器的转速。

其中的数控装置可采用计算机、单片机或类似的装置加上相应的控制软件加以实现。

其中的车体参数包括：车轮排数、各排间距、各排左右轮距、哪排或哪几排是驱动轮、哪排是转向偏转轮(前轮或后轮，驱动轮或非驱动轮)、驱动轮直径、偏转轮直径等。具体实施时还应根据车型适当调整。

下面结合具体的装置对本发明作进一步的说明。

实施例二。

如图1所示。

一种轮式机动车数字控制转向系统，采用发动机前置，前轮偏转、前轮驱动的布局方式，它包括作为机动车前进动力源的发动机与变速箱7、控制左右车轮同步转动的前轮偏转机构3和方向盘6，所述的方向盘6上安装有转角数字传感器5，在主动车轮上安装有速度传感器8，转角数字传感器5和速度传感器8的输出均与车载数控装置9相连，车载数控装置9的输出之一与转向驱动器1的输入相连，转向驱动器1的输出与转向行星轮系2的一个输入轴相连，转向行星轮系2的另一个输入轴与发动机与变速箱7的输出轴相连，转向行星轮系2的两个输出轴分别与左右车轮相连；方向盘6通过一起延时作用的弹性环节4与前轮偏转机构3相连，前轮偏转机构3分别与左右车轮相连。其中的转向行星轮系2具有2个自由度、2个输入轴、2个输出轴的行星轮系，它能将转向驱动与行进驱动合成并通过输出轴分配给左右驱动车轮；当转向驱动器1不动作时，由发动机与变速箱7送来的前进驱动输入使左右车轮同速同向转动，车体直线前进；转向时，由转向驱动器1送来的转向驱动通过转向行星轮系2与由发动机与变速箱7送来的前进驱动合成，使左右车轮对称地一个加速，一个减速，车体实现转向；转向驱动器1的正转反转即可使车体左转右转；转向驱动器1转多转少即可改变车体转向角度的大小；转向驱动器1转快转慢即可改变车体转向快慢。转向驱动器1为数控驱动器，转向驱动器1由数控装置9控制，它用于在转弯时驱使左右驱动轮形成转速差，使得左右轮的前后向的驱动力差或阻力差构成车体绕Z轴转动的动力矩。

本实施例中的发动机与变速箱7、前轮偏转机构3与车辆现有相同，转向行星轮系2在中国与世界各国专利或非专利文献中有很多种可满足使用要求，因此本实施例无需专门说明。转向驱动器1应采用数控的转向驱动器，如数控液压马达、数控电机等，可采用开环或闭环结构，转向驱动器1由数控装置9控制，在转弯时驱使左右驱动轮形成转速差，使得左右轮的前后向的驱动力差或阻力差构成车体绕Z轴转动的动力矩。弹性环节4可采用弹簧、液压阻尼机构等。转角数字传感器5和速度传感器8均可采用市售常规传感器加以实现，尤其是速度传感器8可直接利用现有车载的数字速度传感器加以实现。数控装置9可采用奔腾IV以上的计算机或专用高性能单片机加以实现。方向盘6第一时间控制转角数字传感器5将转向信号送给数控装置9，数控装置9根据转向信号和实测车体当时的行驶速度进行计算，并根据计算结果驱动转向驱动器1实现转向，方向盘6与传统结构的前轮偏转机构3之间加入了一个微弱的弹性环节4实现前轮偏转稍许滞后，以使转向力矩仅由左右驱动轮速差产生，前轮偏转仅为了实现纯滚动而随动。车辆在转弯时数控装置9根据速度传感器8提供的实时车速和方向盘转角数字传感器5提供的方向盘偏转角进行计算，精确控制转向驱动器1，它驱使左右驱动轮形成转速差所造成的转弯半径必须与前轮偏转所造成的转弯半径相一致。数控装置软件可按车体参数编写。

具体实施时，其中的数控装置9可采用计算机、单片机或类似的带有CPU及存储装置的单元加以实现。

本实施例的工作过程和原理为：

转向时，系统首先将方向盘转动信号输送至数控装置中，由数控装置根据当时的转速和转角值及车体参数(见实施例一)计算出左右主动轮的所需的速差，然后再根据该速差计算出转向驱动器1的转速，并驱动转向驱动器1，转向驱动器再驱动转向行星轮系，由转向行星轮系将转向驱动与行进驱动合并，并通过输出轴分配给左右驱动轮，使左右驱动轮对称地一个加速，一个减速，从而实现无侧滑转向，在左右车轮实现差速转向的同时，前轮偏转机构延时带动前轮转动到与前轮前进方向相一致的角度，实现前轮的纯滚动，当车速或方向盘转角发生变化时，数控装置在毫秒甚至微秒时间内立即感应到这一变化并及时调整转向驱动器的速度，因此本发明只要计算出转向驱动器的转速即可达到控制转向时间长短进而控制转向大小的目的，而转速可控制转向的快慢，无需另行计算转向驱动器1工作的周期。由此可见，使车体转向(包括振荡过程)所需的摩擦力由左右轮速差产生，它是纵向的，与离心力的方向是垂直的，相互垂直的力的叠加作用要小得多，产生侧滑现象的可能性也就小得多，这是本发明实现两轮驱动实现越野功能且无侧滑的本质之所在。

实施例二。

如图2所示。

本实施例与实施例一的不同之处在于驱动转向系统布局为发动机前置后轮驱动。其余与实施例一完全相同。

实施例三。

如图3所示。

本实施例与实施例一的不同之处在于驱动转向系统布局为发动机后置后轮驱动。其余也与实施例一完全相同。

实施例四。

如图4所示。

本实施例与实施例一的不同之处在于驱动转向系统布局为发动机中置后轮驱动。其余与实施例一完全相同。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1、一种轮式机动车数字控制转向的方法，其特征是它包括以下步骤：

第一步，采集方向盘转角和车速数字信号并送至数控装置中；

第二步，由数控装置根据所得的车速和转角值及车体参数计算出左右主动轮所需的速差；

第三步，数控装置根据计算所得的速差计算出数控转向驱动器的转速；

第四步，数控转向驱动器以所得的转速驱动转向行星轮系动作；

第五步，转向行星轮系将所得的转向驱动与行进驱动合成，并通过输出轴分配给左右驱动轮，使左右驱动轮对称地一个加速，一个减速，从而实现无侧滑转向，在左右车轮实现差速转向的同时，偏转轮偏转机构延时带动偏转轮转动到与偏转轮前进方向相一致的角度，实现偏转轮的纯滚动；

第六步，如果车速值或方向盘转角值发生变化，则重复第一步～第五步。

2、根据权利要求1所述的轮式机动车数字控制转向的方法，其特征是所述的前轮偏转机构延时是通过在方向盘与前轮偏转机构之间安装弹性环节实现的。

3、根据权利要求1所述的轮式机动车数字控制转向的方法，其特征是所述的转向行星轮系具有2个自由度、2个输入轴、2个输出轴，它能将转向驱动与行进驱动合成并通过输出轴分配给左右驱动车轮；当数控转向驱动器不动时，前进驱动输入使左右车轮同速同向转动，车体直线前进；转向时，数控转向驱动器通过行星轮系与前进驱动合成，使左右车轮对称地一个加速，一个减速，车体由此转向；数控转向驱动器正转反转即可使车体左转右转；数控转向驱动器转快转慢即可改变车体转向快慢，数控转向驱动器以计算所得的速度转动时间的长短决定转向角度的大小，时间的长短由方向盘转向的时间和车速保持时间确定，如果方向盘转角变化或车速变化时自动重新计算新的数控转向驱动器的转速。

4、一种轮式机动车数字控制转向系统，包括作为机动车前进动力源的发动机与变速箱(7)、控制左右车轮同步转动的偏转轮偏转机构(3)和方向盘(6)，其特征是所述的方向盘(6)上安装有转角数字传感器(5)，在主动车轮上安装有速度传感器(8)，转角数字传感器(5)和速度传感器(8)的输出均与车载数控装置(9)相连，车载数控装置(9)的输出之一与转向驱动器(1)的输入相连，转向驱动器(1)的输出与转向行星轮系(2)的一个输入轴相连，转向行星轮系(2)的另一个输入轴与发动机与变速箱(7)的输出轴相连，转向行星轮系(2)的两个输出轴分别与左右驱动车轮相连；方向盘(6)通过一起延时作用的弹性环节(4)与偏转轮偏转机构(3)相连，偏转轮偏转机构(3)分别与左右偏转车轮相连。

5、根据权利要求4所述的轮式机动车数字控制转向系统，其特征是转向行星轮系(2)具有2个自由度、2个输入轴、2个输出轴的行星轮系，它能将转向驱动与行进驱动合成并通过输出轴分配给左右驱动车轮；当转向驱动器(1)不动作时，由发动机与变速箱(7)送来的前进驱动输入使左右车轮同速同向转动，车体直线前进；转向时，由转向驱动器(1)送来的转向驱动通过转向行星轮系(2)与由发动机与变速箱(7)送来的前进驱动合成，使左右车轮对称地一个加速，一个减速，车体实现转向；转向驱动器(1)的正转反转即可使车体左转右转；转向驱动器(1)转多转少即可改变车体转向角度的大小；转向驱动器(1)转快转慢即可改变车体转向快慢。

6、根据权利要求4所述的轮式机动车数字控制转向系统，其特征是转向驱动器(1)为数控驱动器，转向驱动器(1)由数控装置(9)控制，它用于在转弯时驱使左右驱动轮形成转速差，使得左右轮的前后向的驱动力差或阻力差构成车体绕Z轴转动的动力矩。

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